Mécanismes et bases cérébrales du traitement des fréquences spatiales lors de la catégorisation de scènes visuelles

par Louise Kauffmann

Thèse de doctorat en Sciences cognitives, psychologie et neurocognition

Sous la direction de Carole Peyrin et de Alan Chauvin.

Le président du jury était Martial Mermillod.

Le jury était composé de Valérie Goffaux.

Les rapporteurs étaient Nicolas Poirel, Emmanuel Mellet.


  • Résumé

    L'analyse visuelle de scènes débute par l'extraction en parallèle de l'information à différentes fréquences spatiales, en suivant un mode de traitement par défaut « coarse-to-fine ». L'analyse rapide de l'information grossière (« coarse ») en basses fréquences spatiales fournirait un aperçu global de la scène, qui serait ensuite affiné par l'analyse des détails de la scène (« fine ») en hautes fréquences spatiales. L'objectif de cette thèse a été de préciser les bases cérébrales du traitement des fréquences spatiales lors de la catégorisation de scènes. A travers deux études comportementales, nous avons tout d'abord montré qu'une analyse « coarse-to-fine » est plus avantageuse pour la catégorisation rapide de scènes, et ce, indépendamment de la valeur de contraste de luminance associée aux différentes fréquences spatiales (Expériences 1 et 2). Des études en IRMf nous ont par la suite permis de mettre en évidence l'implication d'un large réseau cérébral lors de l'analyse « coarse-to-fine » des scènes, incluant les aires visuelles primaires et occipito-temporales, mais également le cortex frontal inférieur (Expérience 3). Une analyse de la connectivité a révélé que lors de cette analyse, le cortex frontal inférieur exercerait une influence « top-down » sur le cortex visuel primaire et les gyri fusiforme et parahippocampique au sein du cortex occipito-temporal. Ces résultats soulignent le rôle du cortex visuel primaire comme région intégrative, codant à la fois les afférences rétino-thalamiques et les influences « top-down » de régions supérieures. Nous avons également observé que le gyrus frontal inférieur et le gyrus fusiforme participaient activement à l'intégration de l'information sémantique contenue dans les basses et hautes fréquences spatiales d'une scène (Expérience 4). Enfin, nous avons spécifiquement étudié le traitement des fréquences spatiales au sein de régions occipito-temporales sélectives aux scènes : la « parahippocampal place area » (PPA), le cortex retrosplenial et l'« occipital place area ». Nous avons montré que ces trois régions participent de façon distincte au traitement des fréquences spatiales dans les scènes (Expérience 5) et qu'une stratégie d'analyse « coarse-to-fine » serait privilégiée par la PPA (Expérience 6). Les résultats de ces travaux nous permettent de conforter et de préciser les modèles actuels de la catégorisation visuelle de scènes basés sur un traitement fréquentiel de l'information visuelle.

  • Titre traduit

    The neural bases of spatial frequency processing during visual scene categorization


  • Résumé

    Visual analysis begins with the parallel extraction of different attributes at different spatial frequencies following a predominantly coarse-to-fine default processing sequence. Rapid processing of low spatial frequency information would permit a coarse parsing of the visual input, prior to the detailed analysis of fine information in high spatial frequencies. Our aim was to further address the neural bases of spatial frequency processing during scene categorization. We first demonstrated in two behavioral studies that a coarse-to-fine processing is indeed an advantageous strategy for rapid scene categorization, and is independent of the luminance contrast values associated with the different spatial frequencies (Experiments 1 and 2). In two fMRI studies, we showed first the involvement of a large cerebral network during coarse-to-fine processing of scenes, including early visual and occipito-temporal areas, but also the inferior frontal cortex. Effective connectivity analysis revealed that the inferior frontal gyrus exerts top-down influence on the early visual cortex as well as on the parahippocampal and fusiform gyri in the occipito-temporal cortex (Experiment 3). These results highlight the role of the primary visual cortex in integrating top-down influences from frontal areas to retino-thalamic incoming signals. We also evidenced that the inferior frontal and fusiform gyri actively participate to the integration of the semantic information contained in low and high spatial frequency (Experiment 4). Finally, we specifically investigated the spatial frequency processing of scenes within scene-selective areas of the occipito-temporal cortex: the parahippocampal place area (PPA), the retrosplenial cortex, and the occipital place area. We demonstrated that these regions participate differently in the spatial frequency processing of scenes (Experiment 5) and that a coarse-to-fine processing is favored within the PPA (Experiment 6). Overall, results allow us to refine current model of visual scene categorization based on a spatial frequency analysis.


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